Вопрос жизни. Энергия, эволюция и происхождение сложности - Лейн Николас

Рассмотрим последствия, к которым приводят свободнорадикальные сигналы в митохондриях: оптимизацию дыхательных процессов и уничтожение нефункциональных митохондрий. Те митохондрии, в которых образуется больше свободных радикалов, дадут больше своих копий: свободные радикалы сигнализируют о недостаточной активности процессов дыхания и, чтобы это компенсировать, вызывают увеличение числа митохондрий. Но что если недостаточная активность дыхательных процессов вызвана не низким количеством дыхательных комплексов и митохондрий, а несовместимостью митохондриального генома с ядерным? С возрастом могут происходить митохондриальные мутации, приводящие к образованию смеси митохондрий разных типов, и некоторые из них лучше других сочетаются с ядерными генами. И возникает проблема. Митохондрии, которые хуже всего подходят к ядерному геному, будут производить больше всего свободных радикалов и поэтому будут активнее всего размножаться. Возможны два варианта развития событий: либо клетка уходит в апоптоз и погибает вместе с мутантными митохондриями, либо этого не происходит. Сначала рассмотрим, что будет, если клетка погибнет. В этом случае она либо заменяется другой клеткой, либо нет. Если заменяется, то все заканчивается хорошо. Но если она не заменяется, как происходит в мозге или в мышцах сердца, то такие ткани будут медленно терять в весе. Так как число клеток становится меньше, а объем работы остается прежним, увеличивается нагрузка на клетки. Это вызывает у них физиологический стресс, который сопровождается изменением активности тысяч генов (как это происходит в семенниках дрозофил, страдающих митонуклеарной несовместимостью). Заметьте, что для этого не нужно, чтобы свободные радикалы повреждали белки или вызывали “катастрофу ошибок”. Все это возникает из-за коварных свободнорадикальных сигналов внутри митохондрий, которые приводят к разрушению тканей, физиологическому стрессу и изменениям в регуляции генов – ко всем признакам, ассоциированным со старением.

А если такая клетка не вступает в апоптоз и не погибает? Если ее собственные энергетические потребности невысоки, их можно удовлетворить за счет работы дефектных митохондрий или молочнокислого брожения (которое ошибочно называют анаэробным дыханием). Клетка, накопившая митохондриальные мутации, становится “стареющей”. Она перестает расти, но ее присутствие в тканях может представлять опасность, поскольку такие клетки нередко вызывают хронические воспаления и нарушение баланса факторов роста. Это стимулирует деление клеток, которые склонны к активному росту, например стволовых клеток и клеток кровеносных сосудов, и они могут начать делиться тогда, когда не следует. Если вам не повезет, они превратятся в злокачественную опухоль. Как известно, возникновение раковых опухолей в большинстве случаев связано со старением.

Еще раз подчеркну: этот процесс развивается из-за недостатка энергии, который связан со свободнорадикальными сигналами внутри митохондрий. С возрастом мутации накапливаются, и это вызывает рассогласование митохондрий с ядром и нарушает их производительность. Здесь принципиальное отличие моей теории от исходной свободнорадикальной теории старения: в моей теории не фигурируют окислительные повреждения митохондрий или каких-либо других структур (это не исключено, но можно обойтись и без этого). Свободные радикалы служат сигналами, повышающими выработку АТФ. Это объясняет, почему антиоксиданты не помогают: не продлевают жизнь и не предотвращают заболевания. Ведь если антиоксиданты все-таки проникнут внутрь митохондрии, они будут нарушать выработку энергии[103]. Эта теория также способна объяснить экспоненциальный рост заболеваемости и смертности по мере старения. У тканей есть запас прочности, его хватит на десятки лет, но постепенно ткань достигает состояния, когда она уже не способна нормально функционировать. Эти процессы идут в организме каждого человека, поэтому смертность в последние десятилетия жизни экспоненциально возрастает.

Реймонд Перл заблуждался: лентяи не живут дольше. Напротив, физические упражнения увеличивают продолжительность жизни. Кроме них, полезны определенные ограничения в потреблении калорий, а также низкоуглеводная диета. Все это активизирует физиологические реакции ответа на стресс (в том числе прооксиданты), которые могут избавлять организм от поврежденных клеток и дефектных митохондрий и ненадолго продлевать жизнь, но, как правило, ценой снижения плодовитости[104]. Мы снова наблюдаем взаимосвязь между аэробной производительностью, плодовитостью и продолжительностью жизни. Но у изменений, которых можно добиться, подкручивая настройки нашего организма, есть предел. Максимально возможная продолжительность жизни, определенная ходом эволюции, в конечном счете зависит от сложности синаптических контактов в мозге и от размеров популяций стволовых клеток в других тканях. Говорят, однажды Генри Форд дал указание обследовать автомобильные свалки, чтобы определить, какие детали ломаются реже всего. Когда он это выяснил, то распорядился, чтобы эти части заменяли теми, что дешевле. Эволюция руководствуется сходной логикой. Например, нет смысла держать в выстилке желудка большую популяцию стволовых клеток: они не пригодятся, потому что мозг выйдет из строя раньше. Так организм оказался оптимизирован под ожидаемую продолжительность жизни. Не думаю, что мы сумеем жить дольше 120 лет лишь благодаря точной регулировке организма.

Но добиться этого в ходе эволюционных процессов – совсем иное дело. Вернемся к различиям высоты “порога смерти” у разных организмов. У видов с высокой активностью дыхательных процессов, например птиц и летучих мышей, этот порог низкий. Это означает, что даже небольшие количества свободных радикалов в ходе эмбрионального развития вызывают апоптоз, поэтому развиваются лишь те особи, у которых свободных радикалов образуется очень мало. Низкий уровень формирования свободных радикалов обусловливает большую продолжительность жизни (по причинам, которые мы только что рассмотрели). И наоборот, у животных с низкой активностью дыхательных процессов (мышей, крыс и т. д.) “порог смерти” высок: они устойчивы к большим количествам свободных радикалов, и их жизни из-за этого короче[105]. Отсюда прямо следует, что отбор в пользу увеличения аэробной производительности на протяжении многих поколений должен приводить к увеличению продолжительности жизни. И это действительно так. Например, крыс можно отбирать по их способности бегать на беговой дорожке. Если скрещивать между собой лучших бегунов, через несколько поколений продолжительность жизни крыс в этой группе возрастает. Если то же самое проделать с худшими бегунами, продолжительность жизни этих крыс, напротив, снижается. Через десять поколений аэробная производительность хороших бегунов по сравнению с плохими выросла на 350 %, а продолжительность жизни крыс-атлетов увеличилась почти на год (довольно много, учитывая, что обычно крысы живут около трех лет). Я считаю, что подобный отбор действовал в ходе эволюции летучих мышей, птиц и вообще всех теплокровных животных, что привело к увеличению срока их жизни на порядок[106].